Xem mẫu
- HộiHội
Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Thiết kế anten mảng tái cấu hình tần số sử dụng cấu
trúc DGS
Nguyễn Ngọc Lan1, Vũ Văn Yêm1, Bernard Journeet2, Lâm Hồng Thạch1 và Trịnh Thị Hương3
1
Viện Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Việt Nam
2
Đại học Sư phạm Cachan, Cộng hòa Pháp
3
Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam
Email: dtvt2006@gmail.com, yem.vuvan@hust.edu.vn, bernard.journet@ens-cachan.fr,
thach.lamhong@hust.edu.vn, us.trinh@utc.edu.vn
Tóm tắt - Trong những năm gần đây, các thiết bị vô tuyến Bài báo này đề xuất việc thiết kế anten mảng tái cấu hình hoạt
ngày càng được thu nhỏ về kích thước, nhưng đồng thời cũng động tại băng X ở tần số trung tâm 7.5 GHz và 9 GHz sử dụng
được tích hợp ngày càng nhiều chức năng phục vụ cho nhiều mục
PIN diode. Anten gồm 4 phần tử tuyến tính (2x2) được thiết kế
đích. Do đó, việc thiết kế anten cũng phải đáp được các nhu cầu
trên tấm FR4 có độ dày hsub = 1.575 mm, hằng số điện môi εr =
trên. Với việc có tính định hướng cao cũng như có thể thay đổi
pha và biên độ, anten mảng tái cấu hình cho phép chúng ta có thể
4.4 và suy hao tanδ = 0.02.
thay đổi đồ thị của anten mà không cần phải thay đổi cả hệ thống
anten. Bên cạnh đó, việc có thể tái cấu hình theo cả tần số và đồ II. THIẾT KẾ ANTEN
thị bức xạ, anten mảng đã trở nên thông minh và có thể đáp ứng
được hầu hết các yêu cầu hiện nay. Bài báo này đề xuất thiết kế
anten mảng tái cấu hình tần số với kích thước tại những tần số 1. Mô hình anten
trung tâm 7.5 Ghz và 9 GHz sử dụng cấu trúc Defected Ground Mô hình của anten được hiển thị trong hình 1. Cấu trúc của
Structure (DGS) và chuyển mạch bằng cách sử dụng pin diode. anten bao gồm lớp đất sử dụng cấu trúc Defected Ground
Anten mảng gồm 4 phần tử (2x2) được chế tạo sử dụng lớp điện
môi FR4 với các tham số: hằng số điện môi εr = 4.4, chiều dày lớp
Structure (DGS) với chiều dày t = 0.035 mm. Phía trên của lớp
điện môi hsub = 1.575 mm, suy hao tanδ = 0.02. Anten đề xuất có đất là tấm điện môi FR4 với chiều dày h = 1.575 mm, hằng số
hiệu suất cao và băng thông rộng. Anten được thiết kế và mô điện môi εr = 4.4, suy hao tanδ = 0.02.
phỏng sử dụng phần mềm CST Microwave Studio.
Index Terms: anten mảng, Defected Ground Structure (DGS),
anten tái cấu hình, băng thông rộng, pin diode
I. GIỚI THIỆU
Anten là một thành phần không thể thiếu trong các hệ thống
thông tin vô tuyến. Có nhiều loại anten khác nhau như anten
dipole, anten PIFA, anten loga chu kỳ, anten gương, ... Mỗi
loại anten có đặc tính hoạt động khác nhau và phù hợp với
những ứng dụng cụ thể.
Anten tái cấu hình là anten mà có thể thay đổi các đặc tính
hoạt động như tần số, đồ thị bức xạ và phân cực hoặc tổ hợp
của các đặc tính trên. Khái niệm anten tái cấu hình lần đầu
được đưa ra bởi D. Schaubert năm 1983 [1]. Những kỹ thuật
được sử dụng để tái cấu hình là RF-MEMS (Radio Frequency
MicroElectroMechanical System) [2][3], PIN diodes [4][5],
diode biến dung [6][7], quang dẫn [8][9]. Với khả năng có thể
thay đổi các đặc tính hoạt động, anten tái cấu hình đã trở nên
mềm dẻo và có thể đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau. a)
PIN diode là một thiết bị bán dẫn với hai trạng thái hoạt
động là ON và OFF. Trong mạch RF, PIN diode đóng vai trò
như một công tắc để đóng mở mạch. Với tốc độ chuyển mạch
nhanh và dễ dàng sử dụng, PIN diode ngày càng được sử dụng
rộng rãi, trong đó có lĩnh vực anten.
ISBN: 978-604-67-0635-9 394
394
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
khi trạng thái là OFF, nó tương đương với một điện trở rất lớn.
Với PIN diode, chúng ta có thể điều khiển một lượng lớn các
tín hiệu RF thông qua việc sử dụng dòng một chiều ở mức rất
nhỏ. Mô hình của PIN diode được hiển thị trong hình 2.
Hình 2: Mô hình của PIN diode [11]
b) Như được chỉ ra trong hình 2, cấu tạo của PIN diode gồm
Hình 1: Mô hình của anten: a) mặt trên; b) lớp đất. 3 vùng: vùng I ở giữa là vùng Silicon, vùng P và vùng N ở hai
Anten gồm 4 phần tử và những đường truyền tín hiệu được bên. Hiệu suất của PIN diode phụ thuộc chính vào hình dạng
điều khiển bằng pin diode. Anten được thiết kế lần lượt tại các chip và vật liệu bán dẫn ở vùng I. Sơ đồ tương đương của Pin
tần số trung tâm 7.5 GHz và 9 GHz. Để tăng cường băng diode được chỉ ra trong hình 3 [12].
thông cho anten, bài báo này sử dụng cấu trúc DGS ở lớp đất.
Rõ ràng là, khi lớp đất được khoét theo một hình dạng nào đó
thì điều này đồng nghĩa với việc chúng ta đã tạo ra các phần tử
ký sinh điện dung (C) và điện cảm (L).
Như chúng ta đã biết, tần số cộng hưởng của anten được
cho bởi biểu thức:
1
f (1)
2 LC
Hình 3: Sơ đồ tương đương của PIN diode: a) trạng thái
Từ phương trình trên, rõ ràng là kích thước của anten đã ON; b) trạng thái OFF
được giảm khi chúng ta tăng giá trị L và C. Hơn nữa, việc
khoét ở lớp đất như vậy đồng thời đã tạo nên các hốc cộng 3. Defected Ground Structure (DGS)
hưởng, và việc này góp phần làm tăng băng thông cho anten.
Bảng 1 hiện thị giá trị của một số tham số trong lớp đất (đơn DGS là một cấu trúc tuần hoàn hoặc không tuần hoàn được
vị: mm). khoét trong mặt phẳng đất của đường truyền phẳng (ví dụ như
đường truyền vi dải, đường truyền đồng phẳng, v.v...). Khi mặt
W 70 L 70 phẳng đất được khoét theo một cấu trúc DGS bất kì, nó sẽ làm
dgs 6 w_dgs2 18 thay đổi sự phân bố dòng trên mặt phảng đất. Điều này sẽ làm
l_dgs2 10 w_dgs 3 thay đổi các đặc tính của đường truyền như điện dung và điện
cảm. Điều này sẽ có tác dụng làm giảm kích thước của anten
thông qua việc tăng điện dung và điện cảm.
Hiện nay, có rất nhiều loại pin diode. Mỗi loại PIN diode
có những đặc tính riêng và nó phù hợp với từng loại anten cụ Hiện nay, DGS được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực RF
thể. Sau khi tìm hiểu, bài báo này đã chọn pin diode nói chung và anten nói riêng. Bằng việc sử dụng cấu trúc DGS,
MACOM-MA4AGBLP912[10] cho mô hình anten. chúng ta có thể cải thiện một số tham số của anten như: giảm
nhỏ kích thước, tăng băng thông, tăng độ lợi, v.v...
Anten sử dụng 8 PIN diode. Các PIN được đảm bảo bằng
nguồn một chiều 5V. Các PIN diode trong anten này đóng vai Hiện nay, có nhiều loại cấu trúc DGS khác nhau. Có thể
trò như các công-tắc có chức năng đóng/mở. Khi PIN diode chia DGS ra thành 2 loại: đó là DGS đơn vị và DGS tuần hoàn.
D1, D2, D3, D4 ở trạng thái ON; D5, D6, D7, D8 ở trạng thái Hình 4 liệt kê một vài cấu trúc DGS đơn vị và DGS tuần hoàn.
OFF, khi đó ta thu được tần số cộng hưởng của anten là 9
GHz. Ngược lại, khi các PIN diode D1, D2, D5 và D6 là ON;
D3, D4, D7 và D8 là OFF, ta thu được tần số cộng hưởng là
7.5 GHz.
2. Pin diode
PIN diode là một thiết bị bán dẫn. Trong các mạch RF, a)
PIN diode hoạt động như một biến trở. Khi trạng thái là ON,
PIN diode tương đương với một điện trở rất nhỏ. Ngược lại,
395
395
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
b)
Hình 4: Một số cấu trúc DGS hiện nay: a) cấu trúc DGS đơn
vị; b) cấu trúc DGS tuần hoàn [13]
Sơ đồ tương đương của cấu trúc DGS đơn vị được hiển thị
trong hình 5
b)
Hình 6: Kết quả mô phỏng của anten: a) tần số 7.5 GHz; b)
tần số 9 GHz
Từ hình 6, chúng ta có thể thấy rằng anten được phối hợp
trở kháng rất tốt. Tổn hao ngược của anten là rất nhỏ (dưới -25
dB). Hơn nữa, anten có băng thông rộng > 500 MHz. Với
băng thông này, anten có thể đáp ứng tốt cho các ứng dụng
cần băng thông lớn.
Hình 7 hiển thị kết quả đo kiểm của anten và so sánh với kết
Hình 5: Sơ đồ tương đương của cấu trúc DGS đơn vị[13]
quả mô phỏng.
Khi đó, các giá trị R, L, C lần lượt được tính như các biểu
thức sau [14]:
c
C
2 Z 0 0 c
2 2
L 1 / 4 f 0 C
2 2
(2)
2
1 1
R 2Z 0 / 2 Z 0 C 1
S11
2
L
a)
III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐO KIỂM
Anten được chế tao trên tấm điện môi FR-4 với hằng số
điện môi εr = 4.4, chiều dày lớp điện môi hsub = 1.575 mm,
suy hao tanδ = 0.02. Hình 6 hiển thị kết quả mô phỏng của
anten lần lượt tại tần số cộng hưởng 7.5 GHz và 9 GHz.
b)
Hình 7: Kết quả mô phỏng và đo lường S11 của anten tại tần
a) số: a) 7.5 GHz; b): 9 GHz
Từ hình 7, chúng ta có thể thấy rằng mặc dù kết quả đo của
anten bị lệch so với kết quả mô phỏng. Tuy nhiên, kết quả này
396
396
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
là chấp nhận được do kết quả đo vẫn bao phủ được các băng
tần, và giá trị tổn hao ngược của anten vẫn được đảm bảo dưới
-10 dB. Hơn nữa, cũng từ hình 7, chúng ta có thể thấy rằng
anten có băng thông rộng và điều này là đủ để đáp ứng cho các
ứng dụng tại các băng tần 7.5 GHz và 9 GHz.
Có sự sai khác giữa kết quả đo lường và kết quả như vậy là
do một số nguyên nhân:
+ Do sự sai số về mặt kích thước giữa quá trình chế tạo và
mô phỏng.
+ Ảnh hưởng của việc hàn các linh kiện. Điều này ảnh
hưởng trực tiếp tới việc phối hợp trở kháng.
+ Ảnh hưởng từ các dây dẫn để tiếp điện cho Pin diode.
Việc này là nguyên nhân chính dẫn đến việc sai số trên.
Hình 8 minh họa đồ thị 3D và đồ thị cực của anten lần lượt
tại các băng tần 7.5 GHz và 9 GHz.
b)
Hình 8: Đồ thị của anten tại tần số: a) 7.5 GHz, b) 9 GHz
Anten có gain lần lượt tại các băng tần 7.5 Ghz và 9 GHz
là 4.8 dB và 5.5 dB. Cuối cùng, hình 9 minh họa anten được
thiết kế và chế tạo.
a)
a)
397
397
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
[5] Guang-Min Zhang, Jing-song Hong, Bing-Zhong Wang “A
novel pattern reconfigurable wideband slot antenna using PIN
diodes,” International Conference on Microwave and
Millimeter Wave Technology (ICMMT), pages: 22 - 24, May
2010.
[6] Khidre, A.; Xiao Liu ; Fan Yang ; Elsherbeni, A.Z.;
“Reconfigurable dual-band patch antenna using varactor-
loaded slot,” IEEE Antennas and Propagation Society
International Symposium (APSURSI),pages: 1 - 2, Jul 2012.
[7] Nishamol, M.S.; Aanandan, C.K.; Mohanan, P.;
Vasudevan, K.; “Dual frequency reconfigurable microstrip
antenna using varactor diodes,” XXXth URSI General
Assembly and Scientific Symposium, pages: 1 - 4, Aug 2011.
b)
[8] Y. Tawk, A. R. Albrecht, S. Hemmady, G. Balakrishnan,
Hình 8: Anten được chế tạo: a) mặt trên, b) mặt dưới and C. G. Christodoulou, “Optically pumped frequency
reconfigurable antenna design,” IEEE Antennas and Wireless
IV. KẾT LUẬN Propagation Letters, vol. 9, pp. 280–283, Mar. 2010.
Trong bài báo này, chúng ta đã thiết kế và chế tạo thành [9] Chaharmir, M.R.; Shaker, J.; Cuhaci, Michel; Sebak, A.;
công anten mảng tái cấu hình tần số sử dụng cấu trúc DGS. “Novel photonically-controlled reflectarray antenna,” IEEE
Băng thông của anten đã được cải thiện đáng kể thông qua Transactions on Antennas and Propagation, pages: 1134 -
việc sử dụng cấu trúc DGS. Mặc dù có sự sai lệch nhất định 1141, Apr 2006.
giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo lường, tuy nhiên kết quả
đo lường bước đầu vẫn bao phủ được các băng tần cần thiết. [10] Datasheet: http://www.macom.com/products/product-
Vì vậy kết quả này là chấp nhận được. detail/MA4AGBLP912.
Hướng nghiên cứu tiếp theo của bài báo này là tìm giải [11] Bill Doherty, “PIN Diode Fundamentals” Microsemi
pháp để tăng băng thông cũng như hạn chế sai số trong việc Corporation.
chế tạo, hàn gắn linh kiện để từ đó có được kết quả đo kiểm
tốt hơn. [12] Doherty, W. E., and R.D. Joos., “PIN Diode Circuit
Designers' Handbook,” Watertown, MA: 02472.
Với sự mềm dẻo và linh hoạt của anten tái cấu hình, đó là
việc có thể thay đổi được các đặc tính của anten mà không [13] L. H. Weng, Y.-C. Guo, X.-W. Shi, and X.-Q. Chen, “An
phải thay đổi cả hệ thống như: tần số, đồ thị bức xạ, phân cực, Overview on Defected Ground Structure,” Progress In
.... anten tái cấu hình có thể đáp ứng cho các hệ thống thông Electromagnetics Research B, Vol. 7, 173-189, 2008.
minh ngày nay. Hơn nữa, với việc áp dụng công nghệ vi dải đã
góp phần làm giảm giá thành, dễ dàng chế tạo và kích thước [14] Insik, C. and L. Bomson, “Design of defected ground
nhỏ. Do đó, anten có thể được ứng dụng rộng rãi trong các hệ structures for harmonic control of active microstrip antenna,”
thống thông tin vô tuyến cũng như định vị vô tuyến. IEEE Antennas and Propagation Society International
Symposium, Vol. 2, 852–855, 2002.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] D. Schaubert, “Frequency-agile polarization diversity
microstrip antennas and frequency scanned arrays,” US Patent
#4,367,474, Jan. 1983.
[2] Zohur, A.;Mopidevi, H. ; Rodrigo, D. ; Unlu, M. ; Jofre, L.
; Cetiner, B.A.; “RF MEMS Reconfigurable Two-Band
Antenna,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters;
pages: 72 - 75; Mar 2013.
[3] Cetiner, B.A.; Crusats, G.R. ; Jofre, L. ; Biyikli, Necmi;
“RF MEMS Integrated Frequency Reconfigurable Annular
Slot Antenna,” IEEE Transactions on Antennas and
Propagation; pages: 626 - 632; Mar 2010
[4] Lee, S.W.; Sung, Y. ; Park, J.Y. ; Lee, S.J. ; Hur, B.J.;
“Frequency reconfigurable antenna using a PIN diode for
mobile handset application,” 7th European Conference on
Antennas and Propagation (EuCAP); pages: 2053 - 2054; Apr
2013.
398
398
nguon tai.lieu . vn
